（环境科学专业论文）降油及产絮凝剂的微生物菌群培养和废水处理特性研究.pdf

前言 h ii青 长期以 来， 在制药、食品、化 工等 水处理中 使用的絮凝剂主要是化学絮凝 剂， 大致有两大类:以 铝系和铁系混 凝剂为代表的无机高 分子类 和以聚丙 烯酞 胺为 代表的合成有机高分子絮凝剂， 但这些化学絮凝剂往往 对人体 有害。如铝 盐 具有毒性和不良 环境效应( 如诱 发老 年痴呆症、 易 使材料腐 蚀) ， 铁盐会 造成处 理水中 带颜色，高 浓度的铁也会对人 类健康和生态环境 产生不利 影响;聚丙 烯 酞 胺的单体具有神 经毒性和“ 三致” 效应 致突变、 致畸、 致癌 ) 。因 此， 开发 研制 价廉、高效无 毒的 新型微生物絮凝剂十分重要。 微生物絮凝剂 m i c r o b i a l fl o c c u l a n t 或 b i o fl o c c u l a n t , 简称 m b f ) 是一种高 效、 无 毒、使用范围广、对环境不产生二次污染的新一代絮凝剂。它是通过直接利用 微生物细胞、 细胞提取物或代谢产物，发 酵、提取、精 制而得到的 有絮 凝活性 的 物质。 产生微生物絮凝剂的 微生物资 源极为丰富，获得的 方法 也较简 单， 成 本低廉， 这些是目 前使用的 无机或有机合成高分子絮凝剂 所不具 备的。由于微 生物絮凝剂的 优点 非常突出，其研 制和应 用近年来 一直是 水处 理领域的热点。 以往，研究人员多集中于单一菌株的分离、培养及应用的研究，使得研究 进展缓慢，制备成本偏高，且工业应用状况不理想。近两年来，研究人员在筛 选新的高效絮凝剂的同时，也在寻找新的途径，开发新型微生物絮凝剂，使其 能更符合工 业化大规模生产的需 要，并 且能在水处理领域实际 应用中效率更高， 受环境变化影响更小。目前，国内有不少大学和研究机构纷纷把新型微生物絮 凝剂的研发作为今后科研的一个重点方向，研制应用前景看好的新型微生物絮 凝剂。新的研究领域包括复合型生物絮凝剂的研制，微生 物絮凝剂与其 它絮凝 剂的复配，微生物絮凝剂的生物学研究及微生物絮凝剂的替代培养基研究等。 微生物 产生 絮凝剂所用的培 养基 价格昂贵， 难以 进 行大规模的工业化生 产。 因此，本课题在如何 构建具有产絮凝剂和降油的多功能复 合菌群，以及 利用蜂 蜜废水和氮厂尿素生产废水替代培养基产絮凝剂等方面进行了大量的研究，并 将所产絮凝剂应用于石化废水处理， 为微生物絮凝剂资 源的 应用与开发 提供了 有价值的参考。 学位论文独创性 声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 据我所知，除了 文中特别加以 标注和致谢的地 方外， 论文中 不包含 其 他 人己 经 发 表 或 撰 写 过的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 南昌大学 或 其 他 教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :m - 娜 签 字 日 期 : 2 0 -0 7 年 月痴 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解南昌大学 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文的 规 定， 有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印 件和 磁盘， 允许论文被查阅 和 借 阅 。 本 人 授 权南昌大学可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库进行 检索，可以 采用影印、 缩印 或扫描等复制 手段保 存、 汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 : j 签 字 日 期 : 侧7 年 月 日 、 签 名 : 哪 k 签字日期:” 2 年6月 (-r日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话 邮编 第 1章文献综述 第 1 章文献综述 1 . 1引言 随着科学技术的发展和人类生活 水平的 提高， 人们对水质提出了 越来越高 的要求， 这自 然就推动了 水处理技术和水处理絮凝剂的飞 速发展。 在当 今，水 处理技术发展日 新月异， 其中 絮凝沉淀法因 成本较低、 处理效果较好而在水处 理中得到了日 益广泛的应用。 絮凝处 理是通过向 待处理的 水体中 加入絮 凝剂， 使 水体中胶体体系在絮凝剂作用下， 相互接触、 碰撞、 脱稳、 凝集成一定粒 径 的聚集体，并进一步通过碰撞、网 捕卷扫、 共同 沉淀等作用聚集成较大絮 状沉 淀 而沉淀下来， 达到固液分离的目 的， 其主要是 去除废水中的胶体和 悬浮体， 同时也能 有效地去除一些溶解性的杂质 1 1 在人类文明的发展史上， 最早使用絮凝剂处理 水的历史追溯到古埃 及人采 用 甜扁桃汁净化饮用水， 我国明 朝时也有用明 矾 a 1 2 ( s o 4 ) 3 - k 2 s o 4 - 2 4 h 2 0 1 净水的 记录。1 8 8 4 年，美国人海亚特取得了以硫酸铝预处理滤池水的专利权。1 8 7 2 - 1 8 8 7 年，氧化铁盐被推广应用，并在1 8 8 7 年取得对预分离出 氢氧化铁沉渣的箱 形 过滤装置的专利。此后絮凝剂逐渐应用于 污水处 理中，1 9 1 2 年开始用 氯化硫 酸亚铁作为絮凝剂，1 9 2 9 年开始用铝酸钠，2 0 世纪5 0 年代开始采用氯化铝。近 年来絮凝剂广泛用于工业和生活污水和沉渣的处理，应用范围不断扩大。由于 絮 凝在水处理中的重要作用， 絮凝日 渐发展成为 一门 重要的技术，围绕 絮凝剂 的 制备、优化及使用的研究不 断深入。 从最早使用天然絮凝剂到初级合成絮凝 剂 如f e s o 4 -7 h 2 0 . a i c 1 3 及硅系列 絮凝剂， 再到现 今的 高聚合类絮凝剂如聚合氯 化 铝( p a c ) 、 聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚硅硫酸铝 ( p a s s ) 和聚 丙烯酸胺( p a m ) 等以及生 物絮凝剂，人类使用絮凝剂的 过程经历了一 个从天然到合成， 再到天然的循环 过程 7 . s 1 在絮凝沉淀 工艺中，絮凝 剂是一 个决定 性的因 素， 其好坏直接决定了 该工艺 的处理效果。目 前常用絮凝剂主要 有无机絮凝剂、 人工合成有机高分子絮凝剂 和 天然高 分子 絮凝剂三大类2 1 . 虽然前两 类絮凝剂在絮 凝活性方面及经济方面有 许多 优点， 但是在安全性和对环境的二 次污染等方面 存在自 身难以 克服的缺陷。 已 有研究 表明 饮用铝盐浓度较高的饮用 水的 人， 患老年 痴呆症的较多3 , 聚丙烯 第 1 章文献综述 酞胺等人工合 成有机高 分子絮凝剂有的并无毒性，但是合成它们的单体往往具 有 强 烈 的 神 经 毒 性和 “ 三 致 效 应 ，( 致 畸 、 致 突 变、 致 癌) ， 导 致 这 些 絮 凝 剂 的 应 用 受到了 很大 的限制 4 1因此开发高 效、 无毒、无 二次 污染的絮凝剂迫 在眉睫。 微生物 絮凝剂是一种天然生物高 分子絮凝剂，对人体无害，可以 被生物降 解 5 1。 它 是 一 类 由 微 生 物 产 生 的 有 絮 凝 活 性 的 代 谢 产 物 ， 有 糖 蛋 白 、 粘 多 糖、 蛋 白 质、 纤维素 和 d n a等。微生 物絮凝剂具 有两大 特点: 一是 不存在二 次污染， 使用安全、方 便、 应用条 件粗放、絮 凝效 果好; 二是来 源广，能 产生絮凝剂的 微生 物种类多 ， 生长 快， 价格 低廉，易于 采取生物工程手段实 现产业化。因此， 微生物 絮凝剂的开 发和应 用引 起人们 关注， 应用前 景极为 广阔 6 1 1 .2微生物絮凝剂的 研究概况 l o u is p as te u r ( 1 8 7 6 )最 早 报 道了 酵 母 菌能 产 生 絮 凝 9 1的 现 象， 两 年 以 后 ， 有 科 学家 发现也有 细菌具有同 样的 作用。而自 从美国 科学家b u tt e r f i e d ( 1 9 3 5 年) 最 早 从活性污泥中 筛选到絮凝剂 产生菌以 来， 人们开 始对微生物絮凝剂逐渐进行了 越来越深入的 研究，在絮 凝条件、机 理、 产絮凝剂的基因 控制、 絮凝剂的 纯化、 性质及应用等方面进行了一系列的研究工作，其中日本在这方面的研究工作成 效尤其显著 1 0- 2 0 1 。 国外 关于 微生物絮 凝剂 产品的报道最多的 主要是: j .n a k a m u a r a 等 人以 酱 油 曲 霉a j 7 0 0 2 ( a s p e rg ill u s ) 为 原 料 生 产的a j 7 0 0 2 微 生 物 絮 凝 剂 2 1,22 1 . h . t a k a g i 拟青霉素 ( p a e c i l o m y c e s s p . l - 1 ) 微生物生产的p f 1 0 1 絮凝剂， 对枯草 杆菌、 大肠杆菌、啤 酒酵 母、 血红细胞、活性污泥、 纤维素粉、 活性炭、 硅藻 土、氧化铝等有良 好的 絮凝效果2 3 ,24 1 : r .k u r a n e等人利用红平红球菌 ( r h o d o c o c c u s e r y th ro p o li s ) 微 生 物 生 产 的n o c - 1 絮 凝 剂 ， 对 大 肠 杆 菌 、 酵 母 泥浆水、粉煤水、活性炭粉水、膨胀污泥、纸浆废水、畜产废水等均有极好的 絮凝和脱色 效果2 5 .2 6 1美国、日 本、 英国、 法国、 德国、 前苏联、 芬兰、 葡 萄牙、 以 色列、 韩国都对微生 物絮凝剂进行了大量的研究， 并取得了 一些相应的 研究 成 果 12 1 我国在微生物絮 凝剂研究和应用上与国外相比 有很大差距， 据已 有的 文献 报道， 我国在微生物 絮凝剂的研究尚处于实验室阶段。 见诸报道的有陆茂林所 在的江苏微生物研究 所从 土壤和污泥中筛选出两株絮凝活性较高的诺卡氏 菌， 并对其 适宜培养基， 培养时间和培 养液p h变 化与 絮凝活性之间的关系 进行了 研 第 1 章文献综述 究 2 7 1 :张本兰从活性污泥中筛选到絮凝活性较高的微生物絮凝剂菌株 ( p .a lc a li g e n e s 8 7 2 4 ) 用于 处 理 造 纸黑 液 和 氯 霉 素 等 有 机 废 水 28 1 ; 李 智良 所 在 的 中国 科学院 成都生物研究所用常规的细菌分离纯化方法从废水、土壤、活性污 泥中分离筛选到 6株絮凝剂产生菌，用其发酵离心上清液对造纸黑液、皮革废 水、偶氮染料废水、硫化染料废水、电镀废水、彩印制板废水、石油化工废水、 造币 废水及蓝黑水、 碳素墨水等进行絮凝试验的结果表明，废水固液分离效果 良 好， c o d c r 去除率在5 5 % - 9 8 %, 悬浮物、 色度、 浊度去除 率均在9 0 %以 上( 2 9 1 . 王 镇 等 筛 选 出 絮 凝 活 性 较 高 的 四 株 菌 ( s p o r o la c to b a c ill u s g c 3 ; a r th ro b a c t e r s b 6 ; p s e u d o m o n a s s b 8 ; a e r o m o n a s g c 2 4 ) 3 03 ; 黄 民 生 等 从 污 水 处 理 厂 的 回 流 污 泥中 分离 筛选出 3株絮凝剂产生菌，该 菌株所产 培养液可使土壤 悬液 浊度去除率达 9 9 % 以上， 使碱性染 料废水c o d c r 去除率为7 0 % 左右，色 度去除率为9 2 % 左右 3 1 - 3 6 1 ;东北大学的 邓述波等从土壤中分离筛选得到一株能产生高效微生物絮凝 剂的芽饱杆菌 a 9 .絮凝实验结果表明，用 mb f a 9处理高岭土悬浮液，效果明 显优于其他 种类m b f ， 且不需添 加c a t 及a 1 3 + 等助凝 剂， 用量也仅为 一般m b f 用量的 1 / 1 0 - 1 / 1 0 0 : 处理含泥河 水、 硫化染料废 水、 淀粉厂黄 浆废水， 悬浮物 及 c o d c ， 的去除 率明 显高于聚丙 烯酞胺等传统的 化学絮 凝剂5 4 1 。 最近， 南昌 大 学的张志强利用复合菌群所产的絮凝剂应用于处理靛蓝印染废水，获得同时降 低c o d c t 和脱色的良 好效果，为 微生物絮凝剂的 应用提供了 有价值的参考3 n 总之，目 前国内 对微生物絮凝剂的 研究，大多处在菌种筛选和菌株培养液 对废水处理的实验室小试阶段，培养基多以葡萄糖、果糖、蔗搪、半乳糖、淀 粉等作为有机碳源，以酵母浸出汁、牛肉膏、蛋白陈、酪蛋白氨基酸等作为有 机氮源，存在培养基成本高的缺点。要使微生物絮凝剂在我国真正地应用于水 处理，还需要进行大量的、进一步的试验和研究。 1 .3微生物絮凝剂产生菌 1 . 3 . 1微生物絮凝剂产生菌的种类 能够产生絮凝剂的微生物称为絮凝性微生物。迄今已发现的絮凝性微生物 多 达2 5 种以 上。 它们分布于细 菌、 放线菌、 霉菌和酵 母菌之中 【 3 8 1 ，目 前己 报道 的 部 分 絮 凝 剂 产生 菌 如 表1 .1 所 示 3 9,4 01 第1 章 文献综 述 表 1 . 1 常见的微生物絮凝剂产生菌 种类 英文名称 r h o d o c o c c u s e r y t h r o p o l i s no c a r d i a c a l c a r c a no c a r d i a r h o d n i i no c a r d i a r e s t r i e a c o ryn e b a c t e r i u m a l c a l ig e n e s l a t u s a g r o b a c t e r i u m s p . oe r s k c o v i a s p . p s e u d o mo n a s s p . ac i n e t o b a c t e r s p de ma t i u m s p c o ry n e b a c t e r i u m f la v o b a c t e r i u m e n t e r o b a c t e r s p an a b a e n as p s p o r o la c t o b a c c i l l u s s p my c o b a c t e r i u m b c il l u s m e g a t e r i u m a s p e r g i ll u s s o j a e p a e c 1 lo m y c e s s p a s p e r g i 1 i n s o c h r a c e u s a s p e r g i 1 i n s p a r a s i t i c u s g e o t r ic h u m c a n d i d u m wh it e r o t f u n g i s t r e p t o m y c e s v i n a c e u s s t r e p t o m y c e s g r is e u s 中文名称 红平红球菌 石灰壤诺卡氏菌 红色诺卡菌 椿象虫诺卡氏菌 棒状杆菌 协腹产碱杆菌 土壤杆菌属 厄氏菌属 假单胞菌属 不动菌属 暗色抱属 裂烃棒状杆菌 产黄菌属 肠杆菌属 项圈藻 芽抱乳杆菌属 分枝杆菌属 巨大芽抱杆菌 放线 菌 酱油曲霉 拟青霉属 赫 曲霉 寄生曲霉 白地霉 白腐 真菌 酒红链霉属 灰色链霉属 1 . 3 . 2微生物絮凝剂产生菌的分离、筛选 目 前国内 外研究所 采用的絮凝微生物种群主要通过以 下三方 面途径获得: 来自天然土壤和沉积物;来自活性污泥;直接购买能产生絮凝剂的纯种微生物 菌株。从天 然土壤或活 性污泥中获得产絮凝剂菌株一般采用的 方法是1 3 7 1 :以 普 通细菌培 养基 ( 牛肉 膏蛋白陈琼脂培养基) 作为 分离培养基， 通过稀释法和平 板 划线法多次分 离至获 得纯种。 将纯化菌株接种至 筛选培养基中，根据培养液的絮凝 活性筛选出 絮凝剂产 生菌，然 后再 对这些菌 株的 特性进行研究。 总的筛选模式为: 样品采集及预处 理*菌 株的 分离纯化 *浅 层发酵培养，絮 凝剂的 提取，絮凝活性检测*菌种取 舍 ( 初筛、复 筛) ，菌 种鉴定 ，各菌株絮凝活性的 遗传稳定 性检验，实际废水 第t 章文献综述 用于微生物絮凝 剂的 效果验证a 1 - 5 0 1 1 . 3 . 3微生物絮凝剂的絮凝机理及影晌因素 1 . 3 . 3 . 1 微生物絮 凝剂的絮凝机理 目 前 对微生物絮凝剂絮凝机理的 研究较多 集中在用经典的絮凝机理来对其 进行解释。较为流行的是吸附架桥理论，即吸附在某个微粒表面的线性生物分 子长链可能同 时吸附在另一个微粒表面上， 絮凝剂大分子通过借 助离子 键、 氢 键和范德 华力，同 时吸附多个胶体颗粒， 在颗粒间产生架桥现象，从而形成一 种网状三维结构沉淀下来。图 1 . 1 是根据吸附架桥理论绘制的絮凝机理示意图。 该 理论可以 解释 大多 数微生物絮凝 剂引 起的 絮凝现象 5 1- 5 6 1 飞_ 二 ， *晚晚， ， :， /+ 0一厂+lu 一 一 a w t o v q , ( f l, 结台v、勘 撰凝书 苟盆凝 顺粒 单个絮剂分f 与翻教的结 台 门 勿 图 1 . 1 絮凝机理示意图 架凝沉淀 此外， 还 有电 中和作用， 卷扫作 用等经典 絮凝理论， 以 及粘质 假说、 g r a b t r e e 的 醋合假说、 f ri e d m a n 的 菌体外 纤维素纤丝学说、荚膜学说、 疏水学说等15 7 1 1 .3 . 3 . 2絮凝效 果影响因素 影响微生物絮凝剂絮凝能力的因素有很多，包括絮凝剂本身的性质，并与 外界 环境 密切相关。 一般来说，主要的 影响因素微生物絮凝剂本身特性、絮凝 剂 的 投 加 量 、 温 度、 p h 值 、 金 属 离 子的 种 类 及 其 投 加 量 等 。 ( 1 ) 微生物絮凝 剂本身特性的影响(5 7 1 微生 物絮凝 剂的主要成分中 含有亲水的活性基团， 如氨基、梭基等，故其 絮 凝机理与有机高 分子絮凝剂( 利用其线性分子的 特点起到一种 粘接架桥作用而 使 颗粒絮凝) 相同。 其絮凝效果会受分子形状、分子量等因素影响。 一般说来， 线形结构 有利于 絮凝， 如果分 子结构是交联的或支链结构， 其絮凝效果就差; 分子量越大，絮凝剂活性就越高。 ( 2 ) 絮凝剂的投加量 对絮凝能 力的 影响【5 刀 一般，絮凝剂都有一个最佳投加量，投加量过多过少都会导致絮凝效果下 第 1章文献综述 降。 据分 析， 最佳投加量大约是固体颗粒表面吸附的大分子化合物 达到 饱和时 一半的吸附量，此时大分子在固体颗粒上架桥机率最高。如果絮凝剂加入量过 多， 一开 始微粒就被若干个高分子链包围，微粒再没有空白部位去吸附 其它的 高分子链，结果形成无吸附部位的稳定颗粒。 ( 3 ) 温度对絮 凝能力的影响5 8 1 温度对一些微生 物絮凝剂的絮凝活 性有较大影响。主要是因为 这些絮 凝剂 的蛋白质成分因高温变性而丧失部分絮凝活性。所以由多聚糖构成的絮凝剂就 不 受 温 度 的 影 响。 例 如， a s p e r g illu s s a j a e 产 生 的 絮 凝 剂 在 温 度 为3 0 -8 0 时， 活性最大， 高 于或低 于这个温度活性便迅 速下降， r h o d o c o c c u s e r y t h r o p o l i s 产生 的 絮 凝 剂 在1 0 0 的 水中 加 热1 5 分 钟 后 ， 其 絮 凝 活 性 下 降5 0 % ， 而p a e c i lo m y c e s s p . 产生的 聚半乳糖胺 絮凝剂在。 1 0 0 之间时， 絮凝活性几乎不 变。 ( 4 ) 溶 液的p h 值 对 絮 凝 能 力 的 影 响 59 1 由于 p h值影响 胶体 颗粒 表面电 荷， 从而 影响他们之间的吸附 行为。 不同 絮凝剂 p h值的 变化敏感程度不同。 如 真菌 p a e c i l o m y c e s s p . 产生的絮凝 剂聚半 乳 糖 胺 ， 在 p h 为4 7 .5 时 ， 絮 凝 活 性 最 强， 当p h值为3 或 8 时 ， 絮 凝 活 性 急 剧 下降 。 a s p e r g il lu s s o j a e p s e u d o m o n a s a e r u g in o s e , s ta p h y lo c o c c u s a u r e u s , c o ry n b a c t e r i u m b r e v i c a l e , s t r e p t o m y c e s v i n a c e u s 在 p h值为 3 - 5时 表现出絮 凝活 性， 但当 p h 为 7 -9时丧失絮凝 活性， 原因是高 p h值使酵母 细胞表面 的带电量减少。 ( 5 ) 金 属离子的 种类及其投加量对絮 凝能力的 影响 有些 微生物絮凝剂中 含有金 属离子，金属离子可以 加强生物絮凝剂的桥联 作用和中和 作用， 对微生 物絮凝剂的 絮凝活性有着重 要意义，甚至是必需的条 件。即使 对于不含有金属离子的 微生物絮凝剂， 添加一些金属离子也能够提高 絮凝 活性。 容易受金 属阳 离子影响的多 数是蛋白 质( 多 肤) 型的 微生 物絮凝剂。 例 如， h . a n o m a l a的絮 凝和非絮凝菌株 其细胞 壁的 脂肪酸和氨基酸的 组分与 含量 虽 无 较 大 差 别 ， 但 其 金 属 离 子 含 量 有 着 极 大 的 差 异 ， 前 者 c a z , m g 和n a 的 含量 远比后 者高。 各种离 子在絮凝剂中 的作用目前 得到较为深入的研究。具体 来说， c a t 的 作用: c a t 可以显 著提高 微生物絮凝 剂的 活性60 1 ， 对于一 些微生物 来说， 形成 絮凝体必须有二价钙离子的参与， 但对另一些微生物却不是这 样。 一般认为， 钙离子的作用是起化学桥联作用， 在絮凝微生物细胞之间联结 细胞 表 面 的 蛋白 质 和多 搪. m 犷 十 的 作 用 : 添 加 m g ,十 也 能 够 提高 微 生 物 絮 凝 剂 的 活 性 ， 第 章文献综述 但 关于 镁 离 子的 作 用 ， 一 些研 究 者根 据 各自 的 研究 结 果 得出 的 结 论并 不 一 致 6 1 -6 3 1 。 n a + 的 作用: n a + 可以 增加 絮凝剂的活性， 但达到一定浓度后， 再 提高 n a 的浓度对 增加絮凝活 性的 意义不大。除上 述 3种金属离子之外， f e 十 和 a 1 3 + 对 絮凝活性也有作用。但 这两种离子在低浓度时可以 提高微生物絮凝剂的活性， 达到一定浓度后，反而 会抑制絮凝物的形成。各种金属离子对于絮凝机理不同 的微生物 絮凝剂的影响 不一致。 对k . m a r x i a n u s产生的 絮凝剂来说， c a ， c 护 十 ， m n 2 + . s rz + 和 m g 2+ 以 及 三 价 离 子 c e 3 十 、 a 3 十 的 效 应 基 本 是 相 似 的 ， 都 能 促 进 絮 凝，但均不 如 f e 2 + 和 s n 2 + . 而对于 s . c e r e v i s i a e . c e 3 + 不能促进絮 凝，而 a 1 3 + 仍 能 很 好 地 提 高 絮 凝 效 果。 二 价 离 子 中 的c a 2 干 ， c 子 十 ， m n 十 ， f e e + 和 m g t+ 能 够 有效地加快絮凝，而 s n 2 + 和 s r2 十 的效果较差。铁离子和碳酸根离子对 p a e c i l o m y c e s s p . 产生的絮 凝剂的 活性有一定的 抑制作 用 6 1 1 .4利用废弃物作为替代培养基 目前各种絮凝剂产生菌大都是在实验室中以葡萄糖、果糖、蔗糖、半乳糖、 淀粉等作为有机碳源，以酵母膏、牛肉膏、蛋白 陈、酪蛋白氨基酸等作为有机 氮 源的， 存在着培养成 本高的 缺点。因此，开发 廉价的 代用品， 甚至是高浓度 的有机废物，作为絮凝剂产生菌的碳源和氮源以降低微生物絮凝剂的生产成本， 具 有 重 要 的 意 义 6 4 -0 1 1 . 4 . 1秸杆、稻草等农业废弃物 这种底物具 有来 源广泛， 价格低廉，没有毒 性的 特点， 它不仅能为后期絮 凝剂的生长 提供营养，而 且本身具有一定的絮凝 性， 可对絮凝处理起到促 进作 5 7 。复 合型 生物絮 凝剂的 培养便是采 用了这 种生 物材料。 1 . 4 . 2鱼粉废水 大 连理工大学的周 旭等人在培育假单胞菌 ( p s e u d o m o n a s s p l ) 时， 利用鱼粉废 水生产出了 性能良 好的 微生物絮凝剂p s d 2 1 。 据报道该絮凝剂低温储存3 2 5 天内 活性稳定。 在p h 为1 2 时，废水中 加热3 0 m i n 后， 活性下降不到5 0 %。 经有机溶剂 提取、 冻干后获得的 絮凝剂干粉活性恢复率可高 达9 9 % - 6 6 % 。 这说明利用鱼 粉废 水作 替代培养基是 可行的。 第 1 章文献综述 1 .4 .3氨 化 合的 甘蔗 澎a b g ) 和 鸡毛 ( g c 玛 与氨化合了的 甘蔗渣( a b g ) 和 鸡毛( g c f ) ，不仅能为 微生物提供能源，而且 能提供附加底物。由 于甘蔗 渣和鸡毛的廉 价易得，因此 如果能 把它们与 微生 物 絮凝剂共同开发， 就会在提高絮凝性能的同时大 幅度降 低成 本，为 其工业化生 产 开 辟 道 路 7 11 1 . 4 . 4豆饼、水产废水和牛血 在 n o c 2 1 的 培养基中，使用豆饼、水产废水 和牛血 取代酵母浸膏，结果 培 养基的 价格下降了 2 / 3 以 上， 但其中的 牛血浓度对絮凝剂 产量影响较大7 2 1 。也 有 文 献 报 道 使 用 黄 豆 汁 替 代 酵 母 膏以 及 添 加 m g t + 可 以 提高 微 生物 絮 凝剂 的 絮 凝 效 果 7 31 1 . 4 . 5国外关于替代培养基的 研究 在k u r a n e , r的 研究中，解 烃棒杆菌( c o ry n e b a c t e r i u m h y d r o c a r b o c l as t u s ) 采用 了 煤 油 为 底物 产生 絮 凝 剂 【7 4 1。 而 红 平 红 球 菌 (n o c a r d ia e ry th r o p o lis ) 可 以 在降 解 与 塑 料生 产有关的酞酸 酷的同 时， 产生 絮凝剂 7 5 1 。 在k u r a n e 对红平红 球菌的 优化 培养中， 他选用了自 然界广泛存在的乙醇 7 6 1 、米 糠、鱼肉 和葵花籽粉作为 培养 基的替 代成分，大大降 低了 生产成 本 7 7 1 o k u r a n e 还用啤酒制造中大量 产生的 麦 芽根 作为n o c 2 1 的 有机氮源， 结果发现絮 凝活性显著提高， 研究 还发 现该絮凝 剂的絮 凝对象范围广 泛， 可絮凝活性污泥等有机物质、 高岭土等无机物质及可 溶性着色物质等， 并且麦 芽根还可以 与其他 有机氮源( 如大豆粉、 大豆渣、玉 米 面 等 ) 一 起 使 用 7 8 。 另 外 ， 生 产 罐 头 食 品 的 废弃 物 及 酿 酒 的 酒 渣 可以 作 为 培 养 基 中 廉 价 的 碳 源 7 91 南昌大 学张志强的 研究表明， 啤酒废水完全可以 取代葡萄糖作为其构建的 絮 凝 剂 产 生 菌 群的 碳 源 和 能 源3 7 1。 同 时 ， 南 昌 大 学的 李昌 花 也 成 功的 利 用 牛 奶 废 水 替 代 氮 源 进行 了 研 究 80 1 1 .5微生物絮凝剂处理废水的研究 从目前国内外对微生物絮凝剂应用范围的研究看，与有机或无机合成高分 子絮凝剂相比， 微生物絮凝剂不仅可以 替代传统絮凝剂 用于给 水处理，或者用 于医药、食品加工和 发酵等行业的固 液分离，而 且在高 浓度 难降解 废水的 除浊、 第1 章 文 献综述 除重金属、 脱色和除油 等方面也表现出 相当 的优势。 1 . 5 . 1畜产废水的处理13 1 畜产废水是含c o d 较高的难处 理有机 废水，采用合成有机絮凝剂进行处理 虽然有较好的效果， 但存 在二 次污染. 猪粪 尿废水采用 n o c - 1 加c a z 处理1 0 m i n 后 ， 废 水 的 上 清 液 变 成 几 乎 透 明 的 液 体， 废 水 中 的 t o c 由 处 理 前 的 8 2 0 0 m g / l 变 为2 9 8 0 m g / l ，去除率达6 3 . 7 % ，o d 6 a 由处理前的1 5 . 7 变为 0 .8 6 .蚀度去除率 9 4. 5 % e 1 . 5 . 2可消除污泥膨胀1 3 3 不少工业废水在采用活性污泥处理过程中， 形成的活性污泥容易发生膨胀， 从而影响处理效率。若添加微生物絮凝剂，会取得良好效果。如甘草制药废水 生 化处 理过程中 形成的膨 胀性污泥，当在其中 添加n o c - 1 微生物絮凝 剂后，污 泥的 污泥体 积指数 ( s v i ) 很快 从2 9 0 下降到5 0 ， 消除了 污泥的 膨胀， 恢复了活 性污泥的沉降能力。 1 .5 . 3去除废水中的浊度 含有高 悬浮 物的 建筑材料加工废水是 较难处理的一类废水，例如陶瓷 厂废 水， 主 要包括胚体废水和釉药 废水两 种， 前者主要含有较多的 粘土颗粒，后者除 含粘土颗粒外， 还有相当 数量的釉药。当 添加 n o c - 1处理5 m i n 后， 胚体废水的 o d 6 6 0 从原来的1 . 4降 低到0 .0 4 3 : 釉药废水的o d w从1 7 .2 下降 到0 . 3 5 ; 浊度去除 率 分 别 为 %.6 % 和 9 7 .9 ，可 得 到 几 乎 透 明 的 上 清 液 183 1 1 . 5 . 4对污泥脱水的 作用 对污泥 进行 脱水能 够为后 续处理创造有利条件。 用红平 红球菌培养物 2 m l 和5 n i l 浓度为1 % 的c a z + 溶 液， 处 理9 5 m l 浓缩后的 污泥， 可以 使污 泥体积在2 0 m i n 内 浓 缩为 原 来 的9 2 % ,上 清 液 的o d 5 5。 值 小 于。 .0 5 + 4 1 . 1 . 5 . 5在废水除油或油水分离中 的作用 用协腹产碱杆菌培养物可以很容易 地将棕搁酸从其乳化液中分离出 来.无 论 是无 机絮凝剂还是人工合成高分子絮凝剂从未有过这样好的絮凝效果。这 种 微生物絮凝剂不仅有望用于乳化液的油水分离，也可为海上溢油的控制提供一 第1 章文献综述 种 安 全有 效 的 絮 凝 剂 85 1 1 . 5 .6在废 水 脱色中 的 作用18 6-8 7 1 现今的活性污 泥法技术除去 废水中 的 c o d , 并非难事， 但对于脱色几乎还 没有特效的 方法， 特别是对于 那些可溶性色素很难处理，而 采用微生物絮凝剂 n o c - 1 ， 对墨 水、 糖蜜废水、 造纸黑 液、 颜料废水等 进行的 试验表明， 处 理后上 清 液 变 为 无 色 透明 。 辛 宝平 用r a lc a l ig e n e s 8 7 2 4 菌 株 产 生 的 絮凝 剂 在实 验 室 对 纸 浆黑液和氯霉素 等颜色较深的废 水进行脱 色处理， 其脱色率分别 达 9 5 % 和 9 8 % 以上。 1 . 5 . 7处理高浓度有机废水 畜产废 水是含 c o d , 较高 的难处 理有机废水，采用 合成有机絮凝剂虽然 有较 好的效果， 但存在二 次污染。 微生物絮凝 剂可以 有效的 去除畜 牧废水中 的t o c t n 8 8 1 . 1 .6微生物絮凝剂的发展方向 目前 微生物絮 凝剂的应用还大多停留 在实 验室研究阶段，真正应用到实际 中的不多。尽管如此，微生物絮凝剂仍然具有广阔的应用前景。从目前的研究 来看， 微生物 絮凝剂不仅能去除废 水中的s s , c o d , b o d和色素， 还能对 乳浊 液中的油水分离、发酵液中菌体分离以 及溶液中 重金属离 子的 去除等方面 有很 好 的 效 果 8 9 邓述波 ( 9 0 -9 1 】 用微生物 絮凝剂m b f a 9 处理 淀粉废水， 在有c a 2 + 作为 助凝剂时， s s和c o d , 的去除率 分别 达到 8 5 .5 % 和6 8 . 5 % ，其 效果 要明显优于传统的 化学 絮 凝 剂 。 絮 凝 剂n u -2 9 z 】是 由 海 洋 粘 杆 菌n a n n o c y st is s p 一所 产 生 的 ， 研 究 发 现 它 对某些染料 废液的脱色能力能 够达到9 9 % o h e e - m o c k o h 等9 3 1 筛选出 一株 絮凝 剂 产 生 菌p a e n ib a c il lu s s p .a m 4 9 ， 其 产 生 的 絮 凝 剂 能 够 有 效 地 用 于 大 规 模 处 理 绿 藻c h l o r e l l a v u l g a r i s ， 其絮 凝率可达到8 3 % . 高于 硫酸 铝和聚丙烯酞胺. a n a s t a s i o s 1 . z o u b o u lis 等 19 4 1研 究 用 微 生 物 絮 凝 剂 来 去 除 垃 圾 填 埋 场的 渗 滤 液 中 的 腐 殖 酸， 其 去 除 率 达 到了8 5 % . s . p 响a y a la k s h m i9 5 1用 微 生 物b a c illu s s u b til i 作 为 一 种 絮 凝剂分离精煤，发现菌体细胞能够粘附在煤颗粒的表面并迅速发生沉淀，使煤 颗粒从煤浆中分离出来。 第1 章 文 献综述 鉴 于目 前国 内 外 的 研 凭状 况 ， 微 生 物 絮 凝 剂 的 主 要 发 展 趋 势 体 现 在以 下 几 个方面: ( 1 ) 加大絮凝微生物的 筛选力度和范围， 从而筛选到更多的高效 絮凝 微生 物。自 然界产生絮凝剂的微生物种类 很多，但根据目 前的方法，筛选到它们是 比 较困 难的，而且效率很低。因此有必要找到一种能够快速准确的筛选微生物 絮凝剂产生菌的有效方法， 从而筛选出更多的高 效絮凝剂产生菌， 建立完善的 微生物絮凝剂产生菌菌 种库8 9 1 ( 2 ) 从 生 产 工 艺 的 角 度出 发 ， 选 用 廉 价 的 工 业 废 料 作 为 培 养 基以 降 低 培 养基 配制成 本，建 立高效生化反应器， 优化培 养的运行条件，提高培养基效率， 不 断探索新工艺新方法，使微生物絮凝剂的生产真正实现产业化水平。例如在 n o c - 1的培养基中，用水产废水和牛血取代酵母浸膏后，培养基的价格下降了 2 /3 以 上 196 1 ; c itr o b a c te r s p . t k f 0 4 可以 用乙 酸 作为 唯 一 的 碳 源 营 养 来 合成 絮 凝 剂 ( 9 7 1 ( 3 ) 加强对 微生物 絮凝剂的物质结构 特性、絮 凝特性等方面的 基础性研究， 深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理 以及它在处理不同水质废水时的共性与特 性。拓宽微生物絮凝剂的应用范围，使之能够处理各种不同 类型的 废水。根 据 不同的废水水质研制具有针对性的高效微生物絮凝剂或复合絮凝剂， 既能明显 提高絮凝效果，还可大大降 低絮凝剂投加量， 从而降低处理成本， 这是使微生 物絮凝 剂实 现工业应用的前提8 9 1 ( 4 ) 利用现 代分子生物学技术获 得的高 效絮凝基因， 通过转 基因技 术，构建 产絮 凝剂的高 效工程菌，以实 现微生物絮凝 剂的大 规模生产。 例如i s h i d a f u j i i k等 9 81把s a c c h a r o m y c e s c e r e v is ia e 3 9 6 - 9 -6 v的 基因 导 入 一 株 无 絮 凝 性 的 菌 株 u r a 3 位点 上， 使 其 获 得 了 絮 凝 性 ( f s c 2 7 菌 株 ) ， 再 引 入u r a 3 的 菌 株f s c u - 1 8 的絮凝性能及产率比原菌株都好。 ( 5 ) 将微生 物絮凝 剂拓展到概念更广的生 物絮凝剂研究范畴。例如 h a r u h ik o y o k o i 9 91 研 究 发 现 在厌 氧 条 件 下e n t e r o b a c te r s p . b y 2 9 能 够同 时 产 生 氢 和 絮 凝 剂。将酶和激素等促进微生 物生长 的物质加载到絮凝剂上，实 现生化反应与絮 凝处理的有机结合，以 保证 水处理的出 水水质的 前提下， 缩短生 化系统启动和 废水在生化系统的停留时间。 相信在不久的将来，随 着对微生物絮凝剂研究的 不断深入，微生物絮凝剂 将会广泛地应用于工业废水处理、食品生产和发酵等工业中，并将最终取代无 第 1 章文献综述 机絮凝剂 和有机合成高 分子絮凝剂。 1 .7石油降解菌的研究 进展189 1 利 用微生物对有机 污染物的降解 作用， 可以使 污染物在其初始环 境中降 解。 同物理、 化学处理方法 相比， 微生物 的生物处理技术具有下列优点:污染物 在原地 被降解清除，避 免了 运输过程中 的污染; 处 理时间较短; 操作简 便， 对周围 环境干扰少; 较少的 处理经费， 仅为 传统的化学物理方法的3 0 % 5 0 %; 人类 直接暴露在这 些污染物下的 机会较少: 不 产生二次污染，遗留问 题少。 微生 物处理的最终产 物为c o z 和水， 对人类无害。 随着人们对环境污染认识的深入，对环境治理的力度越来越大，用传统的 物理和 化学方法治理 石油污染越来越不能满足人们的要求，因此科学工作者不 断 探求新的治理技 术。 1 9 6 5 年j o n e s 和s m i t h 利用 微生物 处理石油， 使石油 发生 了 “ 物理化 学” 变化， 从而诞生了 微生物降 解法。 微生物降解法就是 利用微生物来 处理 含油海水( 淡水) 和土 壤， 使其最终完 全矿化。 由于 微生物治理技术费 用低、 对环境影响小、 适用范围广等 优点， 因此在 环境科学界，微生物处理技术被认为比物理和化学处理更具发展前途，它在土 壤修复中的应用价值是不可估量的。欧洲各发达国家自2 0世纪 8 0年代中期就 对微生物处理技术进行初步研究，迄今为止，研究领域延伸至包括石油、农药、 固体废弃物等对土壤、地下水及海洋污染的治理。 国外在开展微生物治理石油污染较早， 最早的是美国海洋微生物学家 z o b e l l 于 1 9 6 4年用原油和润滑油进行海洋细菌降解石油烃速率的研究。1 9 7 2年的 d e r o o 和w e h n e r . 1 9 7 7 年的m i l n e r , 1 9 7 9 年的s e i f e r t 和m o l d w a n、1 9 8 7 年的 m a h lo n c . k e n ic u tt , 1 9 8 9 年的s c h e r re r 和m ille , 1 9 9 0 年d k p o k w a s ili 和d d o k u m a 及 1 9 9 0 年的p e t e r s 和m o l d o m a n 等都进行了 相关的 研究。 1 . 7 .1 石油的 化合 物 组成11 00 1 石油中含有数百种 化合物，主要由正构 烷烃、异构烷 烃、环 烷烃、芳烃和 非 烃化合 物及沥青质组成。 1 . 7 . 1 . 1正构烷烃 属饱 和烃， 在常温常压下， 1 -4 个碳原 子( c i - c 4 ) 的 烷烃为 气态， 5 1 6 个 第 i 章文献综述 碳原子 ( c 5 - c 1 6 ) 的 烷烃为液态， 1 7 个碳原子以上 ( c 1 7 + ) 的高 分子烷烃皆呈固态。 石油中己 鉴定出 的正构 烷烃有 c i -c 4 5 ， 个别报导曾提 及见到 c 6 0 正构 烷烃，但 大部分正构 烷烃 碳数= c 3 5 。正构 烷烃 在石油中多数占1 5 . 5 % ( 体积) ， 轻质 石油可 达3 0 %以上，而重质石油可小于1 5 %， 其含量主要取决于生成石油的原始有机质 的类型 ( 陆 相原油含量多， 海相原油含量少) 和原油的成熟度 ( 未成熟的 石油主 要含大分子量的 正构烷烃; 成熟的 石油中主 要含中 分子量的 正构烷烃;降 解的 石油中主要 含中、 小分子量的正构烷烃 ) 。 1 . 7 . 1 . 2异构烷烃 石油中的异构烷烃以= c1 0 为主，且以异戊间二烯烷烃最重要。其特点是在 直链上每 4 个碳原 子有一个甲基支链。在 沉积物和原油中以 植烷、姥蛟烷、姥鱿 烷和异十六烷的含量最高。研究和应用最多的是植烷和姥蛟烷. 1 . 7 . 1 . 3环烷烃 由许多围成 环的 多个次甲 基( - c h 2 - ) 组成。 组成环的 碳原子数可以是大于 3 的 任何数，相应称为三员环、四员环、五员环等。石油中的环烷烃多为五员环或 六员环。 其含量与成熟度有关: 成熟 度低的 石油中 主要 含多 环烷烃， 成熟度高 的石油中主要含单或双环烷烃。一般，单、双环占环烷烃的5 0 . 5 %;三环占环烷 烃的2 0 %;四、五环占环烷烃的2 5 %a 1 . 7 . 1 .4芳香烃 芳香烃其特征是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。根据其结构不同可分 为单环、多环、稠环三类芳香烃。单环芳烃是指分子中含有一